CN102759790A - 变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置。该变焦透镜包含具有正折光力并被布置为最接近物侧的第一透镜单元。满足0.50＜Ym5/Yw30＜1.00，这里，Yw30表示在广角端提供0.3的相对照度的像高，Ym5表示在除广角端和望远端以外的预定变焦位置处提供0.05的相对照度的像高。

Description

变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置

技术领域

本发明涉及变焦透镜和具有该变焦透镜的图像拾取装置。

背景技术

一种常规的小型、高变倍(magnification varying)的变焦透镜是包括被布置为最接近物侧的具有正折光力的透镜单元的变焦透镜。例如，日本专利公开No.(“JP”)2009-3342提出从物侧起依次布置正单元、负单元、正单元和正单元的四单元变焦透镜。JP2009-164847公开了被配置用于用光学变焦实现电子变焦并使得能够以高的变焦比观察被照体图像的图像拾取装置。

在大多数的包括被布置为最接近物侧的具有正折光力的透镜单元的变焦透镜中，如在JP2009-3342中公开的那样，前透镜直径由除广角端和望远端以外的位于变焦透镜的光轴上的位置(中间焦距)处的离轴光线确定。通常，从广角端到望远端利用在中间焦距可得的图像拾取元件的范围。

对于具有小的前透镜直径的图像拾取元件的宽的工作范围，中间焦距处的最小必要光量是有效的，但是，即使该配置也不能使广角变焦透镜中的前透镜直径保持小。虽然JP2009-3342对于第一透镜单元提供了四个透镜并且抑制了由广角配置导致的前透镜直径的大的尺寸，但是该配置不足以减小前透镜直径。在JP2009-164847中公开的常规的电子变焦没有限制图像拾取装置中的变焦透镜，或者没有提出用于减小广角变焦透镜的前透镜直径的手段。

发明内容

本发明提供了具有小的前透镜直径的广角、高变倍变焦透镜、以及具有该变焦透镜的图像拾取装置。

根据本发明的变焦透镜包含具有正折光力并被布置为最接近物侧的第一透镜单元。满足以下的条件式：0.50＜Ym5/Yw30＜1.00。

Yw30表示在广角端提供0.3的相对照度的像高，Ym5表示在除广角端和望远端之外的预定变焦位置处提供0.05的相对照度的像高。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1是根据数值例1的光学***的透镜截面图。

图2是根据数值例2的光学***的透镜截面图。

图3是根据数值例3的光学***的透镜截面图。

图4是根据数值例4的光学***的透镜截面图。

图5A～5C是根据数值例1的广角端、中间焦距和望远端处的像差图。

图6A～6C是根据数值例2的广角端、中间焦距和望远端处的像差图。

图7A～7C是根据数值例3的广角端、中间焦距和望远端处的像差图。

图8A～8C是根据数值例4的广角端、中间焦距和望远端处的像差图。

图9是比较数值例1和2与常规的例子的曲线图。

图10是根据本实施例的图像拾取装置的透视图。

具体实施方式

为了高变倍，本实施例的变焦透镜包括被布置为最接近物侧的具有正折光力的第一透镜。为了实现小型化，本实施例满足以下的条件式。

0.50＜Ym5/Yw30＜1.00         (1)

Yw30表示在广角端提供0.3的相对照度的像高。Ym5表示在除广角端和望远端以外的变焦位置(变倍位置)(中间焦距)处提供0.05的相对照度的像高。本实施例需要提供Ym5并满足条件式1的变焦位置(中间焦距)。

孔径比被定义为离轴入射光瞳面积与轴向入射光瞳面积的比。相对照度是通过将孔径比乘以余弦四次方定律和畸变成分而计算的亮度比。余弦四次方定律满足以下的关系，这里，θ是入射到透镜的光相对于光轴的入射角，I是光的入射后(post-incidence)亮度，Io是光的入射前(pre-incidence)亮度。

I＝Iocos⁴θ

相对照度是表达为预定像高上的明度(brightness)与在成像表面上的中心处的明度的比，并在预定像高的明度等于中心的明度时为1。

条件式(1)确定从广角端和中间焦距到达成像面的光的范围。一般地，为了避免图像周围的阴影，至少约0.3的相对照度是必需的。因此，常规上，在提供0.3的相对照度的广角端的像高，在整个变焦区域中确保约0.3的相对照度。在同一变焦位置，提供0.05的相对照度的像高比提供0.3的相对照度的像高高。由此，常规的配置中的值超出条件式(1)的上限值。

本实施例通过使在中间焦距到达成像面的光的范围变窄来减小前透镜直径，原因是该范围确定前透镜直径。因此，本实施例的值不超出条件式(1)的上限值。此时，在包括诸如CCD的固态图像拾取元件的图像拾取装置中，与广角端相比，对于中间焦距使用更少数量的像素。由于它是从广角端图像拾取范围变窄的方向，因此，输出图像可被高质量地适当地变焦，这是因为近年来的固态图像拾取元件具有大量的像素。

但是，即使当到达成像面的光的范围在中间焦距变窄使得该值超出条件式(1)的下限值时，由于前透镜直径由广角端和望远端确定，因此前透镜直径也没有充分减小。

条件式(1)可被以下的条件式(1a)替代。

0.70＜Ym5/Yw30＜0.95        ...(1a)

虽然条件式(1)依赖于提供0.3的相对照度的广角端的像高，但是，对于在预设的范围中偏移的相对照度或基准焦距仍展现出本实施例的效果。

本实施例的变焦透镜在光阑的物侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元和具有负折光力的第二透镜单元，并且通过改变第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔实现变焦。本实施例的变焦透镜可满足以下的条件式：

0.20＜S1＜0.50            ...(2)

0.00≤S2/S1＜0.17         ...(3)

以下，S1表示第一变焦位置的在第一像高上的第一相对照度。S2表示第二变焦位置的在第一像高上的第二相对照度。根据本实施例，在第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔改变乘以0～0.1的从广角端到望远端的变化量的区间中存在第一变焦位置。在第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔改变乘以0.3～0.8的从广角端到望远端的变化量的区间中存在第二变焦位置。

条件式(2)确定计算S2的像高。当相对照度太高以至于该值超出条件式(2)的上限值时，广角端和中间焦距具有相似的相对照度，并且，不能确定提供本实施例的效果的像高。但是，这不禁止图像拾取装置的相对照度超出上限值。相对照度太低以至于该值超出条件式(2)的下限值的像高不适于图像拾取装置。

条件式(2)可被以下的条件式(2a)替代。

0.30＜S1＜0.50                ...(2a)

条件式(3)确定在由条件式(2)确定的像高上广角端与中间焦距之间的相对照度的比。当该值超出条件式(3)的上限值时，由于取得中间焦距的大的相对照度，因此，前透镜直径增加。条件式(3)的下限值意味着在中间焦距相对照度变为零，因此，该值决不会超出下限值。

在包括以上的变焦透镜的图像拾取装置中，本实施例提供了被布置为最接近物侧的具有正折光力的第一透镜单元，并且满足以下的条件式：

Sm＜Sw    ...(4)

Sw是在广角端以及广角端的最大像高上的相对照度。本实施例确定，存在满足条件式(4)的位于变焦透镜的光路上的除广角端和望远端之外的变焦位置(中间焦距)。Sm是在中间焦距以及广角端的所述最大像高上的相对照度。

在广角端的该最大像高位于用于形成输出图像的图像拾取元件的工作范围中，并且，在被配置为通过偏移工作范围使图像稳定化的图像拾取装置中，它是将图像稳定化功能设为不活动时的工作范围。

条件式(4)确定在用于图像拾取装置的像高上广角端与中间焦距之间的相对照度的比。当条件式(4)不被满足时，由于取得更大的在中间焦距的相对照度，因此前透镜直径增加。

当在广角端的相对照度和在中间焦距的相对照度两者都增加时，不满足条件式(4)。在这种情况下，可通过增加最大像高以保持广角端的场角宽，并且，安装的变焦透镜没有被完全利用。

本实施例可进一步满足以下的条件式：

-0.8＜fw/f2＜-0.4             ...(5)

这里，fw表示在广角端的整个***的焦距，f2表示第二透镜单元的焦距。

条件式(5)确定广角端的焦距与第二透镜单元的焦距之间的比。当该值超出条件式(5)的上限值时，难以校正广角端的像场弯曲。作为替代地，第一透镜单元和第二透镜单元之间的间隔的变化量增加，以获得预定的变焦比，并且，总长因此增加。当该值超出条件式(5)的下限值时，广角端的场角变窄并且不能完全获得本实施例的效果。

条件式(5)可被以下的条件式(5a)替代。

-0.75＜fw/f2＜-0.42            ...(5a)

本实施例可进一步满足以下的条件式：

0.05＜fw/f1＜0.14           ...(6)

这里，fw表示在广角端的整个***的焦距，并且，f1表示第一透镜单元的焦距。

条件式(6)确定广角端的焦距与第一透镜单元的焦距之间的比。当该值超出条件式(6)的上限值时，广角端的场角变窄，并且，不能完全获得本实施例的效果。作为替代地，球面像差或彗形像差的校正在望远端变得困难。

当该值超出条件式(6)的下限值时，像场弯曲的校正在广角端变得困难，或者第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔的变化量增加以获得预定的变焦比，总长因此增加。

条件式(6)可被以下的条件式(6a)替代。

0.06＜fw/f1＜0.12            ...(6a)

本实施例可进一步满足以下的条件式：

31°＜tan^-1(Yw/fw)＜48°      ...(7)

Yw是在广角端的最大像高，fw是在广角端的整个***的焦距。如上所述，在广角端的最大像高是用于形成输出图像的图像拾取元件的工作范围，并且，在被配置为通过偏移工作范围使图像稳定化的图像拾取装置中，它是将图像稳定化功能设为不活动时的工作范围。

条件式(7)确定在广角端的场角。当该值超出条件式(7)的上限值时，第一透镜单元中的透镜的数量增加以适当地校正广角端的像场弯曲和横向色差。作为结果，小型化和广角配置变得困难。当该值超出条件式(7)的下限值时，广角端的场角变窄，并且，不能完全获得本实施例的效果。

条件式(7)可被以下的条件式(7a)替代。

33°＜tan^-1(Yw/fw)＜41°          ...(7a)

本实施例配置了在变焦期间可沿光轴方向移动的三个或更少的透镜单元，并且，光阑SP可在变焦期间沿光轴方向被固定。

当存在多于三个的在变焦期间可沿光轴方向移动的透镜单元时，存在通过使用各透镜单元的移动轨迹减小前透镜直径并保持广角配置的方案。但是，可移动单元的数量增加导致大的镜筒机构，由此，变得难减小整个透镜单元的尺寸。

另外，随着透镜单元移动机构的数量的增加，成本也增加。当光阑被配置为可动时，柔性印刷电路(“FPC”)变长并且增加成本。

变焦透镜还可包含沿光路布置于第二透镜单元的像侧的第三透镜单元，并具有正折光力或负折光力。在这种情况下，第一透镜单元和第三透镜单元可在变焦期间沿光轴方向被固定。

在当在图像拾取中擦拭前透镜时施加的压力增加的情况下，可动的第一透镜单元是不利的，或者拍摄图像由于第一透镜单元被驱动时的第一透镜单元的倾斜而抖动。

第三透镜单元接近光阑，并且当它是具有高的F数的透镜时可能具有大的直径。由此，当第三透镜是具有高的F数的可动透镜时，镜筒的外径在整个可动范围中增加。

可以在光阑SP的物侧布置9个或更少的透镜。随着光阑的物侧的透镜的数量增加，广角端的入射光瞳位置可向物侧移动，并且，前透镜直径在广角配置中减小。但是，透镜的数量增加使得总长变长并使镜筒变重。

图1、图2、图3和图4是根据将在后面描述的数值例1～4的透镜截面图。图5A～8C是根据各数值实施例的球面像差、像散、畸变和横向色差的像差图。具体而言，图5A、图6A、图7A和图8A是广角端的像差图，图5B、图6B、图7B和图8B是在中间焦距的像差图，图5C、图6C、图7C和图8C是在望远端的像差图。在球面像差图中，实线表示d线，交替一长两短虚线表示g线。在像散图中，实线表示弧矢截面ΔS，虚线表示子午截面ΔM。在畸变图中，实线表示d线。在横向色差图中，交替一长两短虚线表示g线。Fno表示F数。

在图1～4中，L1至L5表示第一到第五透镜单元。SP表示光阑(或光圈)。P表示诸如CCD面板和低通滤波器的玻璃块。I表示像面。光阑SP沿光路被布置于具有正折光力的第一透镜单元L1和具有负折光力的第二透镜单元L2的像侧。换句话说，第一透镜单元L1和第二透镜单元L2被布置于光阑SP的物侧，并且，沿光路从物侧起被依次布置。

本实施例在从广角端到望远端的变焦期间如图1～4中的箭头所示的那样移动各单元。第四透镜单元在聚焦中移动。

在数值例中，Ri表示从物侧起的第i个表面的曲率半径，Di表示第i个表面与第(i+1)个表面之间的间隔(透镜厚度或空气间隔)，Ni和vi是第i个透镜的材料的折射率和阿贝(Abbe)数。

非球面形状被表达如下，这里，光轴方向被设为X轴，与光轴垂直的方向被设为h轴，并且，光传播方向被设为正。R是旁轴曲率半径，k、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10和A11表示非球面系数：

$X=\frac{(1/R)h^2}{1+\sqrt{1-(1+k){(h/R)}^2}}+{A4h}^4+{A6h}^6+{A8h}^8+{A10h}^{10}+{A3h}^3+{A5h}^5+{A7h}^7+{A9h}^9+{A11h}^{11}.$

例如，“e-Z”意味着“10^-z”。

(数值例1)

单位mm

表面数据

非球面数据

第18面

K＝-9.17104e-001 A 4＝4.19710e-006 A 6＝1.71587e-007A 8＝-1.29887e-009

第22面

K＝-1.08261e+000 A 4＝-7.66519e-005

各种数据

变焦比9.69

变焦透镜单元数据

(数值例2)

单位mm

表面数据

非球面数据

第18面

K＝-8.70480e-001 A 4＝2.14356e-005 A 6＝3.89318e-007

A 8＝-5.07624e-009

第22面

K＝-2.32538e-001 A 4＝-1.48468e-004

各种数据

变焦比9.69

变焦透镜单元数据

(数值例3)

单位mm

表面数据

非球面数据

第14面

K＝-5.11436e+000 A 4＝2.92010e-004 A 6＝-4.95346e-006

A 8＝-4.82938e-008

第16面

K＝-4.64721e-001 A 4＝1.40584e-004 A 6＝-1.28735e-005

A 8＝2.44096e-006A 10＝-1.10622e-007

第17面

K＝-1.46136e+001 A 4＝2.72469e-004

各种数据

变焦比19.24

变焦透镜单元数据

(数值例4)

单位mm

表面数据

非球面数据

第十四面

K＝4.96355e-001 A 4＝-4.23131e-004 A 6＝3.95210e-007

A 8＝-1.99880e-007

第十五面

K＝-9.13571e+000 A 4＝4.03772e-004 A 6＝6.01677e-006

A 8＝8.53314e-007

第十六面

K＝2.48490e+002 A 4＝1.83299e-004 A 6＝-2.27922e-005

A 8＝1.20584e-005

第十七面

K＝-4.19812e-001 A 4＝-2.15403e-004 A 6＝6.62333e-006

A 8＝7.81993e-006

各种数据

变焦比6.77

变焦透镜单元数据

表1示出各条件式与各数值例中的相应的值之间的关系。

表1

在表1中，在各数值例中，在中间变焦位置计算条件式(1)的值。在第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔以乘以0.5的从广角端到望远端的变化量变化的变焦位置，计算条件式(2)的值。在具有在各数值例中描述的数值的中间变焦位置计算条件式(3)的值。

如上所述，各数值例可提供具有小的前透镜直径和良好的光学特性的广角、高变倍变焦透镜。

图9是比较数值例1和2与常规的例子的示图，并且，示出在广角端提供0.3的相对照度的像高Yw30与在变焦位置提供0.05的相对照度的像高Ym5之间的关系。通过将变焦透镜中的变倍透镜单元的移动量除以总移动量，横轴被规格化。通过在广角端提供0.3的相对照度的像高，纵轴被规格化。

从图9可以理解，所有常规的例子的Ym5/Yw30的值超过1。根据数值例1和2，存在满足条件式(1)的像高Ym5的变焦位置。

现在参照图10，将描述在图像拾取光学***中包含本实施例的变焦透镜的诸如数字照相机和视频照相机的图像拾取装置(光学装置)的实施例。

在图10中，附图标记10表示视频照相机体。附图标记11表示具有根据本实施例的被配置为在变焦期间沿光轴方向移动的变焦透镜(变倍透镜)的图像拾取光学***。附图标记12表示被配置为通过图像拾取光学***11接收被照体图像的诸如CCD的图像拾取元件。

附图标记13表示被配置为记录通过图像拾取元件12接收的被照体图像的记录器，附图标记14表示被配置为使得能够观察在显示元件(未示出)上显示的被照体图像的取景器。显示元件包含液晶元件等，并且显示在图像拾取元件12上形成的被照体图像。

当本实施例的变焦透镜被应用于诸如视频照相机的光学装置时，光学装置(图像拾取装置)可以小并具有高的光学性能。诸如CCD的使用电子成像传感器的图像拾取元件通过像差的电子校正提供高质量的输出图像。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的这样的变更方式、等同的结构和功能。

Claims (29)

1.一种包含具有正折光力并被布置为最接近物侧的第一透镜单元的变焦透镜，其特征在于，满足以下的条件式：

0.50＜Ym5/Yw30＜1.00

这里，Yw30表示在广角端提供0.3的相对照度的像高，Ym5表示在除广角端和望远端以外的预定变焦位置提供0.05的相对照度的像高。

2.根据权利要求1的变焦透镜，还在第一透镜单元的像侧包含具有负折光力的第二透镜单元，其中，第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔在变焦期间改变，并且，其特征在于，满足以下的条件式：

-0.8＜fw/f2＜-0.4

这里，fw表示在广角端的整个变焦透镜的焦距，f2表示第二透镜单元的焦距。

3.根据权利要求2的变焦透镜，进一步包括在所述第二透镜单元的像侧的具有正折光力或负折光力的第三透镜单元，其中所述第一透镜单元和第三透镜单元在变焦期间固定。

4.根据权利要求1-3中任一项的变焦透镜，还包含在第一透镜单元的像侧的光阑，其特征在于，变焦透镜包含在变焦期间沿光轴方向能够移动的三个或更少的透镜单元，其中，光阑在变焦期间沿光轴方向被固定。

5.根据权利要求4的变焦透镜，其中，在所述光阑的物侧布置九个或更少的透镜。

6.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

0.05＜fw/f1＜0.14

这里，fw表示在广角端的整个变焦透镜的焦距，并且，f1表示第一透镜单元的焦距。

7.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

31°＜tan^-1(Yw/fw)＜48°

这里，Yw是在广角端的最大像高，fw是在广角端的整个变焦透镜的焦距。

8.根据权利要求2或3的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

0.05＜fw/f1＜0.14

这里，f1表示第一透镜单元的焦距。

9.根据权利要求2或3的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

31°＜tan^-1(Yw/fw)＜48°

这里，Yw是在广角端的最大像高。

10.一种变焦透镜，从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元和光阑，第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔在变焦期间改变，

其特征在于，满足以下的条件式：

0.20＜S1＜0.50；以及

0.00≤S2/S1＜0.17，

这里，S1表示在第一变焦位置以及第一像高处的相对照度，该第一变焦位置存在于第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔改变乘以0～0.1的从广角端到望远端的变化量的区间中，并且S2表示在第二变焦位置以及第一像高处的相对照度，该第二变焦位置存在于第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔改变乘以0.3～0.8的从广角端到望远端的变化量的区间中。

11.根据权利要求10的变焦透镜，满足以下的条件式：

-0.8＜fw/f2＜-0.4

这里，fw表示在广角端的整个变焦透镜的焦距，f2表示第二透镜单元的焦距。

12.根据权利要求10或11的变焦透镜，包括在变焦期间沿光轴方向能够移动的三个或更少的透镜单元，其中，光阑在变焦期间沿光轴方向被固定。

13.根据权利要求10或11的变焦透镜，进一步包括在所述第二透镜单元的像侧的具有正折光力或负折光力的第三透镜单元，其中所述第一透镜单元和第三透镜单元在变焦期间固定。

14.根据权利要求10或11的变焦透镜，其中，在所述光阑的物侧布置九个或更少的透镜。

15.根据权利要求10的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

0.05＜fw/f1＜0.14

这里，fw表示在广角端的整个变焦透镜的焦距，并且，f1表示第一透镜单元的焦距。

16.根据权利要求10的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

31°＜tan^-1(Yw/fw)＜48°

这里，Yw是在广角端的最大像高，fw是在广角端的整个变焦透镜的焦距。

17.根据权利要求11的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

0.05＜fw/f1＜0.14

这里，f1表示第一透镜单元的焦距。

18.根据权利要求11的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

31°＜tan^-1(Yw/fw)＜48°

这里，Yw是在广角端的最大像高。

19.一种包括根据权利要求1或10的变焦透镜的图像拾取装置。

20.一种变焦透镜，包含具有正折光力并被布置为最接近物侧的第一透镜单元，其中，满足以下的条件式：

Sm＜Sw

这里，Sw是在广角端以及广角端的最大像高处的相对照度，并且Sm是在除广角端和望远端以外的预定变焦位置以及所述广角端的所述最大像高处的相对照度。

21.根据权利要求20的变焦透镜，还在第一透镜单元的像侧包含具有负折光力的第二透镜单元，其中，满足以下的条件式：

-0.8＜fw/f2＜-0.4

这里，fw表示在广角端的整个变焦透镜的焦距，f2表示第二透镜单元的焦距。

22.根据权利要求21的变焦透镜，进一步包括在所述第二透镜单元的像侧的具有正折光力或负折光力的第三透镜单元，其中所述第一透镜单元和第三透镜单元在变焦期间固定。

23.根据权利要求20的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

0.05＜fw/f1＜0.14

这里，fw表示在广角端的整个变焦透镜的焦距，并且，f1表示第一透镜单元的焦距。

24.根据权利要求20的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

31°＜tan^-1(Yw/fw)＜48°

这里，Yw是在广角端的最大像高，fw是在广角端的整个变焦透镜的焦距。

25.根据权利要求21或22的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

0.05＜fw/f1＜0.14

这里，f1表示第一透镜单元的焦距。

26.根据权利要求21或22的变焦透镜，其中，满足以下的条件式：

31°＜tan^-1(Yw/fw)＜48°

这里，Yw是在广角端的最大像高。

27.根据权利要求20-22中任一项的变焦透镜，还在第一透镜单元的像侧包含光阑，变焦透镜包含在变焦期间沿光轴方向能够移动的三个或更少的透镜单元，其中，光阑在变焦期间沿光轴方向被固定。

28.根据权利要求27的变焦透镜，其中，在光阑的物侧布置九个或更少的透镜。

29.一种包含根据权利要求20的变焦透镜的图像拾取装置。

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